(57)【要約】【課題】蓄熱式熱交換器から排出される燃焼排ガスが酸露点温度以下になるのを防止することができる水蒸気改質炉を提供する。【解決手段】炉本体１内から排出される燃焼排ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器３を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いる。炉本体１内の燃焼排ガスの一部を対流部９に導入して燃焼排ガスの排熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する。蓄熱式熱交換器３に供給される燃焼用空気の一部を蓄熱式熱交換器３を通すことなくブリードライン６を通して炉本体１内に供給する。蓄熱式熱交換器３を通過した燃焼排ガスを対流部９を通して排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉本体内から排出される燃焼排ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、
対流部において前記燃焼排ガスの熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉であって、
前記蓄熱式熱交換器に供給される前記燃焼用空気の一部を前記蓄熱式熱交換器を通すことなく燃焼用空気ブリードとして前記炉本体内に供給することを特徴とする水蒸気改質炉。
【請求項２】
前記燃焼用空気ブリードの量は、前記蓄熱式熱交換器から排出される燃焼排ガスの温度が１５０℃〜２００℃になるように定められている請求項１に記載の水蒸気改質炉。
【請求項３】
前記燃焼用空気ブリードの量は、前記炉本体内に供給される全燃焼空気の１乃至２０％である請求項１に記載の水蒸気改質炉。
【請求項４】
前記炉本体から前記対流部に導入される前記燃焼排ガスの量を、全燃焼排ガス量の３０％〜６０％とすることを特徴とする請求項１に記載の水蒸気改質炉。
【請求項５】
前記燃焼排ガスが流れる対流部内には、前記プロセス流体を予熱する第１及び第２の加熱コイルが配置され、前記第１の加熱コイルは前記対流部の排気側に配置され、前記第２の加熱コイルは前記第１の加熱コイルよりも上流側に配置され、
前記第２の加熱コイルを通過した前記対流部内の前記燃焼排ガスの温度と前記第１の加熱コイルの出口部における前記プロセス流体の温度との温度差が５０℃以上となるように前記燃焼用空気ブリードの量が定められている請求項１に記載の水蒸気改質炉。
【請求項６】
炉本体内から排出される燃焼排ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、
対流部に配置した加熱コイルにより前記蓄熱式熱交換器から排出された前記燃焼排ガスの熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉の運転方法であって、
前記蓄熱式熱交換器に供給する前記燃焼用空気の一部を前記蓄熱式熱交換器を通すことなく燃焼用空気ブリードとして前記炉本体内に供給し、
前記蓄熱式熱交換器から排出される燃焼排ガスの温度が酸露点以上になるように前記燃焼用空気ブリードの量を定めることを特徴とする水蒸気改質炉の運転方法。
【請求項７】
前記炉本体から前記対流部に導入される前記燃焼排ガスの量を、全燃焼排ガス量の３０％〜６０％とすることを特徴とする請求項６に記載の水蒸気改質炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱式燃焼バーナを用いた水蒸気改質炉及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、炉本体内から排出される燃焼排ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、蓄熱式熱交換器から排出された燃焼排ガスの熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉が提案されている（例えば、出願人は、特願２００３−１６８４１７号及び特願２００３−２８８８００号によりこの種の技術を提案している）。
【０００３】
水蒸気改質炉の燃焼用空気の予熱に吸排気切替型蓄熱体を用いると、例えば水素プラントやメタノールプラント、ＤＭＥプラント、ＧＴＬプラント等のように燃料の単位当たりの発熱量（低位発熱量：Low Heating Value，単位kJ/kg）の低いガスを利用する場合、燃焼排ガスと空気との水当量比（熱交換する排ガスと空気のそれぞれの蓄熱体入出の温度比と同じとなる）が大きいことから、蓄熱体を出る排ガスの温度がそのまま大気に排出できないほど高いものとなっていた。
【０００４】
またＷＯ９８／１４５３６号公報には、対流部を用いて炉本体内から排出される燃焼排ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内の反応管を所定温度に加熱する従来の他の改質炉の一例が示されている。この従来技術では、炉本体に対して設けた蓄熱式熱交換器から炉本体内に供給する燃焼用空気の温度を１０００℃以上にするとともに、炉本体内の燃焼排ガスの一部を対流部に流して熱回収装置で排熱回収することにより、燃焼排ガスの排熱を有効利用する。
【特許文献１】ＷＯ９８／１４５３６号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の従来技術では、蓄熱式熱交換器における熱回収量が多くなり過ぎて、対流部側への熱の供給量が少なくなる問題が生じる。また従来の技術で、対流部に燃焼排ガスを必要量導入すると、蓄熱式熱交換器から排出される燃焼排ガスの温度が酸露点以下になりやすくなる。燃焼排ガスの温度が酸露点以下になるとＳＯ３のような酸分によって排気管が腐食することになり好ましくない。これらの問題は、高温空気燃焼型蓄熱燃焼装置を用いた反応炉で顕著に現れる。ここで高温空気燃焼型蓄熱燃焼装置を用いた反応炉は、複数の蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱した燃焼空気をバーナに供給するように構成された燃焼装置で優れた安定性を有する燃焼状態の反応炉を言う。
【０００６】
本発明の目的は、蓄熱式熱交換器から排出される燃焼排ガスが酸露点温度以下になるのを防止することができる水蒸気改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、蓄熱式熱交換器における熱回収量が多くなり過ぎるのを防止して、対流部側への熱の供給量を従来よりも多くすることができる水蒸気改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置を用いる場合において、上記目的を達成できる水蒸気改質炉およびその運転方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、設備を簡素化することができる水蒸気改質炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、炉本体内から排出される燃焼排ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、対流部において燃焼排ガスの熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉及びその運転方法を改良の対象とする。蓄熱式燃焼バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼排ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼排ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は切換と共に周方向に移動するが、燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また蓄熱式燃焼バーナとしては、いわゆる交番式蓄熱式燃焼バーナを用いることもできる。交番式蓄熱式燃焼バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と燃焼排ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものであり、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。なお改質炉には、１台以上の蓄熱式燃焼バーナが用いられる。
【００１１】
本発明の水蒸気改質炉およびその運転方法においては、蓄熱式熱交換器に供給される燃焼用空気の一部を蓄熱式熱交換器を通すことなく燃焼用空気ブリードとして炉本体内に供給する。このようにすると燃焼用空気ブリードの量を制御することにより蓄熱式熱交換器における熱回収量を制御できる上、しかも炉本体内の燃焼用空気の温度を下げることができる。燃焼用空気の温度を下げることは燃料を増加することになるが、燃料を増加することで対流部への排出ガス量を増やすことができるので、対流部への熱供給量を増大させることができる。また本発明によれば、燃焼用空気ブリードの量を制御することにより、蓄熱式熱交換器から排出される燃焼排ガスの温度が酸露点温度以下になるのを確実に防止することができる。好ましくは燃焼用空気ブリードの量の制御により、燃焼排ガスの温度を１５０℃〜２００℃にする。これは燃焼排ガスの温度を１５０℃より低くすると酸が凝縮することで腐食の問題が起こる可能性が高くなり、また燃焼排ガスの温度を２００℃より高くすると、エネルギー効率が低下するからである。
【００１２】
具体的には、高温空気燃焼型蓄熱燃焼装置を用いる場合においては、燃焼用空気ブリードの量を、炉本体内に供給される全燃焼空気の１乃至２０％にすればよい。この範囲であれば、対流部への排出ガス量を増やすことができて、対流部への熱供給量を増大させることができる。なお２０％より燃焼用空気ブリードの量を多くすると、炉内の高温空気燃焼雰囲気を維持できなくなり、加熱効率が低下する。
【００１３】
また炉本体から対流部に導入される燃焼排ガスの量を、全燃焼排ガス量の３０％〜６０％とすると、対流部における熱供給量を従来よりも増大させることができる。なお全燃焼排ガス量が３０％より少なくなると、第２の加熱コイルを通過した燃焼排ガスの温度が下がり、熱利用効率が低下し、全燃焼排ガス量が６０％より多くなると、蓄熱体による熱利用効率が低下する。
【００１４】
更に燃焼排ガスが流れる対流部内には、プロセス流体を予熱する第１及び第２の加熱コイルを配置し、第１の加熱コイルを対流部の排気側に配置し、第２の加熱コイルを第１の加熱コイルよりも上流側に配置する。そして対流部内の第２の加熱コイルを通過する燃焼排ガス温度と第１の加熱コイルの出口部におけるプロセス流体の温度との温度差が５０℃以上となるように燃焼用空気ブリードの量を定めるのが好ましい。このような温度差になるように設計し、運転すると、加熱コイルの伝熱面積を低下させ、結果的に熱利用効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃焼用空気ブリードの量を調整することにより、蓄熱式熱交換器における熱回収量を制御して、対流部への熱の供給量を従来よりも増大させることができる。さらに、高温空気燃焼状態を良好に維持しつつ、蓄熱式熱交換器から排出する燃焼排ガスの温度が酸露点以下にならないよう適正に制御し、かつ燃焼排ガスの排熱を有効利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、高温空気燃焼技術（高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置）を用いた水素プラントの水蒸気改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１の炉壁１ａには１台以上の蓄熱式燃焼バーナが固定されている。図１においては、この蓄熱式燃焼バーナを備えている１つの蓄熱式熱交換器３とバーナ４とを図示してある。また炉本体１の底壁１ｂと上壁１ｃとを貫通するように、複数本の反応管５が配置されている。
【００１７】
ここで用いる蓄熱式燃焼バーナの蓄熱式熱交換器３は、交番式の蓄熱式熱交換器であっても、また回転式の蓄熱式熱交換器であってもよい。交番式の蓄熱式熱交換器３であれば、通気性を有する２つの蓄熱体と、燃焼室２内の燃焼排ガスを２つの蓄熱体に交互に流し、２つの蓄熱体の顕熱で燃焼用空気を加熱して燃焼室２内に供給する切換弁装置とを備えて構成される。
【００１８】
炉本体１には燃焼室２と連通するように対流部９が設けられている。燃焼室２内の燃焼排ガスの一部は対流部９を通って誘引送風機１４の誘引送風力により排出される。また燃焼室２からの燃焼排ガスは、蓄熱式熱交換器３と対流部９の一部分を通って誘引送風機１４の誘引送風力により排出される。
【００１９】
対流部９では、対流部９を通る燃焼排ガスの熱を利用して原料と、炉本体１内の反応管５に供給されるプロセス流体（原料＋スチーム）を予熱する。対流部９内には、プロセス流体（原料＋スチーム）を加熱する第２の加熱コイル（以下、単に「加熱コイル１５」という）と、原料を加熱する第１の加熱コイル（以下、単に「加熱コイル１７」という）とを備えている。これらの加熱コイル１５，１７は、加熱コイル１５及び加熱コイル１７の順番に上流側から下流側に並ぶように配置されている。そしてこの例では、加熱コイル１７の下流側に炉本体１から直接対流部９に導入される燃焼排ガスの量を調節するガス量調節ダンパ１１が配置されている。そして蓄熱式熱交換器３を通過した燃焼排ガスが、ガス量調節ダンパ１１の下流側で対流部９に供給されている。
【００２０】
この実施の形態では、蓄熱式熱交換器３に供給される燃焼用空気の一部を蓄熱式熱交換器３を通すことなく燃焼用空気ブリードとして炉本体１の燃焼室２内に供給するための、バイパスラインまたはブリードライン６を備えている。ブリードライン６の一端７は、蓄熱式熱交換器３の燃焼用空気入口ラインに接続され、ブリードラインの他端８は、燃焼用バーナに燃焼用空気を供給する蓄熱式熱交換器３の燃焼用空気供給ラインと同様に燃焼室２内と連通している。点線で示した仮想ラインの温度９８２℃は、燃焼用空気ブリードと蓄熱式熱交換器３で予熱された燃焼用空気とが混合された場合における仮想的な熱バランス上の炉本体内の燃焼用空気温度である。
【００２１】
て燃焼用バーナ４に供給される。
【００２２】
上記改質炉における運転方法では、蓄熱式熱交換器３に供給する燃焼用空気の一部を蓄熱式熱交換器３を通すことなく燃焼用空気ブリードとして炉本体１内に供給する。そして蓄熱式熱交換器３から排出される燃焼排ガスの温度が酸露点以上になるように燃焼用空気ブリードの量を定める。具体的には、燃焼用空気ブリードの量は、燃焼室２内に供給される全燃焼空気の１乃至２０％にする。この範囲であれば、対流部９への排出ガス量を増やすことができて、対流部９への熱供給量を増大させることができる。２０％より燃焼用空気ブリードの量を多くすると、炉内の高温空気燃焼雰囲気を維持できなくなり、加熱効率が低下する。
【００２３】
また燃焼用空気ブリードの量を、この実施の形態では、燃焼室２内に供給される全燃焼空気の２乃至４％にしている。具体的には、燃焼室２内に供給される全燃焼空気の約３％にしている。このような量にすると、対流部９へ所定量の燃焼排ガスを流すために流量が低下した蓄熱式熱交換器３から排出される燃焼排ガスの温度が、酸露点温度以下になるのを確実に防止することができ、蓄熱式熱交換器３から排出される燃焼排ガスの温度を１５０℃〜２００℃にすることができる。燃焼排ガスの温度が、１５０℃より低くなると酸が凝縮することで腐食の問題が起こる。また燃焼排ガスの温度が２００℃より高くなると、エネルギー効率が低下する。またこの実施の形態では、燃焼室２から対流部９に導入される燃焼排ガスの量を、加熱コイル１５を通過した燃焼排ガスの温度が加熱コイル１７のプロセス流体出口温度より５０℃以上高くなるように、ダンパ１１の開度を全燃焼排ガス量の３０％〜６０％の範囲で調整する。このようにすることにより対流部９における熱供給量を従来よりも増大させることが可能になっている。全燃焼排ガス量が３０％より少なくなると、加熱コイル１５を通過した燃焼排ガスの温度が下がり、熱利用効率が低下する。またブリード量を増やすことにより、加熱コイル１５と加熱コイル１７との間に他のコイル（例えば、断熱式予備改質器ガス加熱コイル）を設置することも可能になるが、全燃焼排ガス量が６０％より多くなると、蓄熱体による熱利用効率が低下する。
【００２４】
なお図１において、各加熱コイル１５及び１７の側に表示した温度が、各加熱コイルが配置された場所を通る燃焼排ガスの温度を示している。この例では、対流部９に流入する燃焼排ガスの温度が１１００℃で、加熱コイル１５の配置場所を通過した燃焼排ガスの温度が４０１℃で、加熱コイル１７の配置場所を通過した燃焼排ガスの温度が２０５℃であることが示されている。
【００２５】
燃焼用空気は、蓄熱式熱交換器３の蓄熱体に供給される。燃焼用空気は、蓄熱体で更に約１０００℃まで加熱されて、燃焼室２内に供給される。蓄熱体から燃焼室２内に供給される燃焼用空気の温度は高いものの、蓄熱体を燃焼排ガスが通過する際の温度低下は大きくなる。この例では１１００℃の燃焼排ガスが１８０℃まで低下する。
【００２６】
燃焼用空気は、押し込み送風機１８から蓄熱式熱交換器３の蓄熱体に押し込まれる。加熱コイル１７で加熱された原料は、３５０℃で水素化反応器１９及び脱硫反応器２０へと供給される。脱硫反応器２０の出口にはスチームが加えられてプロセス流体が作られ、プロセス流体は加熱コイル１５へと供給されて加熱され、反応管５へと供給される。この例では、２４４℃のプロセス流体が加熱コイル１５で４８５℃まで加熱されている。
【００２７】
なお前述したように、加熱コイル１５の通過点における燃焼排ガスの温度とプロセス流体の加熱コイル１７の出口部におけるプロセス流体の温度との温度差が、５０℃以上となるように燃焼用空気ブリードの量を定めるのが好ましい。
【００２８】
反応管５で加熱されて改質されて８５０℃になったプロセス流体は、熱交換器２１を通って３５０℃まで温度が低下し、高温シフトコンバータ２２で反応熱により４１５℃となり、熱交換器２３で温度が低下して、圧力揺動式吸着（ＰＳＡ）ガス精製装置へと供給される。熱交換器２１及び２３は、スチーム発生装置２４の熱源を得るために設けられているものであり、これらの熱交換器２１及び２３とスチーム発生装置２４との間では、熱伝達媒体が循環している。スチーム発生装置２４は、熱交換器２１及び２３から得た熱量を熱源として水蒸気化するための水ＢＦＷを加熱し、２２１℃の水蒸気として出力する。余剰スチームは、他の熱交換器で使用される。図１の例では、ＰＳＡガス精製オフガスが、通常の燃料と一緒にバーナ４へと供給している。
【００２９】
上記実施の形態によれば、対流部９へ導入する排ガス量をダンパ１１によって調節し、残りの燃焼排ガスが蓄熱式熱交換器３へ導入される。蓄熱式熱交換器３の蓄熱体を出る燃焼排ガスの温度は、燃焼用空気のブリード量によって適正に調節することができる。これにより蓄熱体の吸排気の切換弁装置は、従来のものが使用でき、かつ切換方式に制約を受けることがない。すなわち回転式蓄熱体も利用可能である。またこの実施の形態によれば、原料の予熱を対流部９のみで行うことができ、高温シフトコンバータ下流の廃熱は全てボイラーで回収する。よって発生スチーム量が多くなって全体の熱効率（例えば原料＋燃料−エキスポートスチームのエネルギー効率）が向上する。
【００３０】
また上記実施の形態は、水素プラントに用いる水蒸気改質炉に本発明を適用したものであるが、本発明はメタノールプラント、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）プラント、ガスツーリキッド（ＧＴＬ）プラント等で用いる他の水蒸気改質炉にも当然にして適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】水素プラントの水蒸気改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  炉本体
２  燃焼室
３  蓄熱式熱交換器
４  バーナ
５  反応管
６  ブリードライン
９  対流部
１１  ガス量調節ダンパ
１５，１７  加熱コイル
【図１】
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